一种嵌入式的红外空间非合作目标去帆板方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及空间在轨服务领域的识别跟踪方法。

背景技术

近年来空间在轨服务技术发展迅速，空间目标识别跟踪是空间在轨服务的关键技术之一，特别是针对非合作目标的跟踪，由于其运动特性未知，当逼近目标时，如何快速准确地识别并稳定跟踪目标本体质心是难点之一。

2020年美国诺格公司的任务延寿飞行器(MEV-1)采用喷管对接的技术手段接管Intel-Sat901卫星辅助延寿飞行器是一个标志性事件，实现了对喷管目标的“零距离”对接。近距离相对导航的关键是要能够准确识别目标运动特性，尤其对于缺乏先验信息的目标，在接近过程需要实时识别目标外形、识别帆板并稳定跟踪，这对实现逼近目标至关重要。美国国防高级研究计划局的PHOENIX计划，采用了演示视觉系统、机械臂及自动控制算法等验证，未使用辅助测量的标志器，基于可见光视觉系统对逼近的航天器进行位姿测量，该方法受光照影响大。

发明内容

针对空间非合作目标的帆板超出成像视场的问题，尤其对翻滚运动的目标，本发明提供了一种嵌入式的红外非合作大目标去帆板的方法，此方法用于识别跟踪空间运动目标时，不需人工参与，可实时稳定地识别跟踪目标本体，本方法已在轨应用。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种嵌入式的红外空间非合作目标去帆板方法，包括如下步骤：

S1、利用目标主体及其帆板的红外辐射特性相近的原理合并目标主体及其帆板；

S2、利用非合作目标的主体和帆板同轴的特性，去除目标帆板；

S3、利用目标主体的四个顶点位置，重新计算目标主体的质心。

进一步的，步骤S1的具体合并方法如下：

S1.1、当提取的聚类块≥3时，对聚类块N中灰度相近的聚类块进行再聚类(灰度差≤预设值)，形成新的聚类块N’；

S1.2、对新的聚类块N’中满足如下公式的聚类块进行合并：

abs((y2-y1)/(x2-x1)-(y2-y3)/(x2-x3))＜预设值

其中(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)分别为聚类块1，2，3的加权质心。

进一步的，步骤S2帆板的去除方法如下：

S2.1、首先计算目标的旋转角度，采用Hough变换，利用点与线的对偶性，将原始图像空间的一条给定直线变换成Hough空间中的一个点；Hough变换的公式如下：

ρ＝xcosθ+ysinθ

式中，ρ和θ为极坐标下点的极径与极角；

根据检测出的直线上的所有点通过最小二乘法进行直线拟合，就能计算出目标的旋转角度，具体公式如下：

式中，N为样本个数；(x

S2.2、根据目标的旋转角度k，计算质心(x

S2.3、在聚类块的范围内进行行遍历，找到聚类块中的有效点(x，y)，即此点的灰度值≥背景灰度+阈值，并计算其极坐标(ρ，θ)；如果θ！＝θ

S2.4、计算质心和此点的角度，以(x

S2.5、以(x

S2.6、当W

S2.7、以(x

S2.8、继续遍历，直到W≤W

进一步的，步骤S3的具体计算方法如下：

S3.1、在(x2,y2)、(x3,y3)，(x4,y4)，(x5,y5)中取最大最小值重新组成计算区域，公式如下：

x

y

S3.2、根据计算的x

式中，(x

与现有技术方案相比，本发明的有益效果：

本方案利用非合作目标的主体和帆板同轴的特性，首先计算出目标的旋转角度，继而根据此角度去除目标的帆板。本方案的嵌入式红外非合作目标去除帆板的方法是被动式的，此方法在轨识别航天器时，自主大小目标切换跟踪，不需人工参与，能够实时稳定地跟踪大目标。

附图说明

图1为本发明一种嵌入式的红外空间非合作目标去帆板方法的流程示意图；

图2为本实施例中Hough变换中笛卡尔坐标与极坐标的关系示意图；

图3为本实施例中Hough直线变换示意图；

图4为本实施例中寻找目标主体去除帆板示意图；

图5为本发明一种嵌入式的红外空间非合作目标去帆板方法应用效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

本实施例中，目标主体的尺寸2m*2m，每块帆板的尺寸为2m*3m，目标表面由热控多层包覆。本实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1至5所示，一种嵌入式的红外空间非合作目标去帆板方法，包括如下步骤：

S1、利用目标主体及其帆板的红外辐射特性相近的原理合并目标主体及其帆板。具体合并方法如下：

S1.1、当提取的聚类块≥3时，对聚类块N中灰度相近的聚类块进行再聚类(灰度差≤预设值)，形成新的聚类块N’。

S1.2、对新的聚类块N’中满足如下公式的聚类块进行合并：

abs((y2-y1)/(x2-x1)-(y2-y3)/(x2-x3))＜预设值

其中(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)分别为聚类块1，2，3的加权质心。

S2、利用非合作目标的主体和帆板同轴的特性，去除目标帆板；首先获得目标的旋转角度，再根据目标的旋转角度确认计算的质心是否在目标本体上，如果质心不在目标本体，则采用目标及其帆板的轴线上的垂线进行扫描，从而得到主体的四个顶点的位置，去除目标帆板。

帆板的去除方法如下：

S2.1、首先计算目标的旋转角度，采用Hough变换，利用点与线的对偶性，将原始图像空间的一条给定直线变换成Hough空间中的一个点；Hough变换的公式如下：

ρ＝xcosθ+ysinθ

式中，ρ和θ为极坐标下点的极径与极角，某点(x

然后根据检测出的直线上的所有点通过最小二乘法进行直线拟合，就能计算出目标的旋转角度，具体公式如下：

/>

式中，N为样本个数；(x

S2.2、根据目标的旋转角度k，计算质心(x

S2.3、在聚类块的范围内进行行遍历，找到聚类块中的有效点(x，y)，即此点的灰度值≥背景灰度+阈值，并计算其极坐标(ρ，θ)；如果θ！＝θ

S2.4、计算质心和此点的角度，以(x

S2.5、以(x

S2.6、当W

S2.7、以(x

S2.8、继续遍历，直到W≤W

S3、利用目标主体的四个顶点位置，重新计算目标主体的质心，从主体的四个顶点位置中找出最大最小值重新组成计算区域，最后在此区域内重新计算目标主体的质心。

具体计算方法如下：

S3.1、在(x2,y2)、(x3,y3)，(x4,y4)，(x5,y5)中取最大最小值重新组成计算区域，公式如下：

x

y

S3.2、根据计算的x

式中，(x

本实施例中，对for循环、多重循环、if判断声明等代码进行优化，以有利于DSP处理器进行更好的处理。

本方案通过对红外非合作目标的特征识别，实时计算出非合作目标主体的质心位置，尤其对非合作翻滚运动大目标的帆板超出成像视场的情况，能精确获取目标主体的质心，解决了大目标快速跟踪稳定性的问题并应用。本发明提出的嵌入式红外非合作目标去除帆板的方法的实验结果如图5所示，左边为没有采用本方法计算的质心，右边为采用本方法计算的质心。从图中可以看出采用本方法计算的质心可以完全落在目标主体上。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。